CN105239039A - 一种多层纳米复合涂层冲压模具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多层纳米复合涂层冲压模具，至少包括模具基体，所述的模具基体上由内至外依次附着有过渡层、连接层A、主耐磨层、连接层B以及自润滑层，所述的过渡层为TiN或CrN，所述连接层A为TiN和CrN交替构成的纳米多层，所述主耐磨层为TiN、CrN和MoN交替构成的纳米多层，所述连接层B为CrN和MoN交替构成的纳米多层，所述自润滑层为MoN。本发明同时还提供了上述多层纳米复合涂层冲压模具的制备方法。本发明提供的一种多层纳米复合涂层冲压模具，该涂层模具具有较高的硬度、良好的耐磨耐腐蚀及自润滑性能；并且此结构涂层对不同基体材质具有广泛的实用性，同时易于产业化推广。
Description
技术领域
本发明提供了一种多层纳米复合涂层冲压模具，应用于机械加工行业，属于机械冲压模具加工领域，本发明还提供了上述模具的制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展，模具应用越来越广泛，模具工业已成为工业发展的基础。近几年，我国模具工业以每年15％左右的速度快速发展，在世界模具产值中所占的比例显著提高。
模具80％以上的失效是因为表面损伤，由于模具在承受外力时表面受力最复杂，零件结构及服役条件等因素引起的应力大多集中在表面，使表面比心部处于更严酷的工作条件下，从而导致模具表面早期破坏。采用表面处理技术可以大大提高模具的表面性能，模具表面传统硬化工艺有：表面渗氮、碳氮共渗、电镀硬铬或镍等技术，在模具淬火后进行表面渗氮或碳氮化物，能在低于回火温度下实现1000HV以上的表面硬度，同时提高表面的抗腐蚀、耐磨和抗龟裂等特性，并降低摩擦系数。
但是，这些模具无法承受高温高压的等工况，不适宜用于钢铝等材料的加工，至于电镀硬铬或镍，则因其抗疲劳性较差，一旦失效就会出现龟裂现象，改善的方法之一是加厚镀层，但却会使镀层的附着力降低，同时使表面精度及光洁度下降。
为了解决模具使用中的这些问题，科研人员进行了大量研究，发现物理气相沉积表面涂层技术，涂镀的涂层硬度高、耐磨性好，抗高温、耐腐蚀，涂覆在模具上可大大提高模具使用性能，工件经涂层处理后寿命和生产效率都能够增加3-10倍。
物理气相沉积技术制备的涂层材料种类繁多，涂层结构千差万别，不同的涂层材料面对相同的加工工况，其使用效果大不一样；相同的涂层材料面对不同的加工工况，使用效果也不一样；相同的涂层材料，不同的涂层结构，涂层性能同样大不一样。
发明内容
本发明提供了一种多层纳米复合涂层冲压模具，该涂层模具具有较高的硬度、良好的耐磨耐腐蚀及自润滑性能；并且此结构涂层对不同基体材质具有广泛的实用性，同时易于产业化推广。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种多层纳米复合涂层冲压模具，至少包括模具基体，所述的模具基体上由内至外依次附着有过渡层、连接层A、主耐磨层、连接层B以及自润滑层，所述的过渡层为TiN或CrN，所述连接层A为TiN和CrN交替构成的纳米多层，所述主耐磨层为TiN、CrN和MoN交替构成的纳米多层，所述连接层B为CrN和MoN交替构成的纳米多层，所述自润滑层为MoN。
所述过度层的厚度为1～2微米；所述连接层A的厚度50～200纳米；所述主耐磨层的厚度为2～5微米；所述连接层B的厚度为50～200纳米；所述自润滑层的厚度为200～500纳米。
所述连接层A中，单层TiN厚度为15-25nm，单层CrN厚度为20-30nm；所述主耐磨层中单层TiN厚度为6-10nm，单层CrN为厚度8-12nm，单层MoN为厚度5-10nm。
所述的模具基体的材质为模具钢、高速钢或硬质合金。
本发明中还提供了制备上述多层纳米复合涂层冲压模具的方法，该制备过程简单易行，极易于工业化生产。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种制备上述多层纳米复合涂层冲压模具的方法，包括以下步骤：(1)、将表面洁净的模具基体装夹在工件架上，在0.005～0.03Pa的真空环境，380～500℃温度下加热处理1～3小时；
(2)、加热完毕后，在0.007～0.05Pa真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-600～-1000V偏压条件下，对模具基体进行Ti或Cr离子刻蚀20～30分钟；
(3)、金属离子刻蚀结束后，在0.5～2Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-80～-150V偏压条件下，在模具基体上沉积TiN或CrN过渡层；
(4)、过渡层沉积结束后，0.5～2Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-50～-100V偏压条件下，在过渡层上沉积TiN/CrN连接层A；
(5)、连接层A沉积结束后，2～5Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-30～-80V偏压条件下，在连接层上A上沉积TiN/CrN/MoN主耐磨层；
(6)、主耐磨层沉积结束后，在2～5Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-50～-100V偏压条件下，在主耐磨层上沉积CrN/MoN连接层B；
(7)、连接层B沉积结束后，在1～3Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-80～-150V偏压条件下，在连接层B上沉积自润滑层MoN。
(8)、沉积结束后，真空环境下自然冷却，当温度降低到100℃以下时，打开真空腔体，取出多层纳米复合涂层冲压模具。
本发明针对现有模具表面处理技术的不足，采用物理气相沉技术，提供了一种多层纳米复合涂层模具及其制备方法，在各种材质模具基体材料上通过物理气相沉积技术涂覆由TiN或CrN、TiN/CrN、TiN/CrN/MoN、CrN/MoN、MoN依次构成的多层纳米复合涂层。本发明的涂层结构一方面使复合涂层具有较高性能；另一方面可以使涂层与基体具有良好的附着力；同时还具有简单易行的可操作性。本发明制备的多层纳米复合材料可重复性高，极易大规模工业化生产。本发明制备的纳米复合涂层模具具有良好的膜基结合力、高的硬度(35GPa)和低摩擦系数(小于0.5)。
附图说明
图1为本发明所提供的多层纳米复合涂层冲压模具的制备装置结构示意图；
图2为本发明制备的多层纳米复合涂层结构示意图；
图中：1-抽真空系统；2-真空室；3-工件架；4-加热器；5-金属靶；6-炉门。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护内容不局限于以下实施例。
本发明所提供的下列实施例中用来制备多层纳米复合涂层冲压模具的装置如图1所示，该装置的真空室2由炉壁围成，真空室2高度为1000mm，直径为900mm。其内壁固装有加热器4，用于加热除气和镀膜过程升温。真空室侧面设有炉门6，以方便工件的装卸。真空室设有抽真空系统1，抽真空系统1由一个扩散泵、一个罗茨泵和两个机械泵构成，用来维持镀膜腔的真空，本底真空可达到7×10-4Pa。金属靶5分布于真空室2的炉壁两侧及炉门6上，为提高涂层与工件之间的附着力，工件偏压由30kW直流脉冲电源提供，偏压可在0～-1000V范围内连续调节；模具装在工件架3上；氮气、氩气分别有质量流量计控制，转架绕炉体中心轴的公转，以保证镀膜的均匀性。
实施例1
本实施例中所提供的多层纳米复合涂层冲压模具的制备方法如下：
首先，将模具清洗干净，装夹在设备工件架上，并对设备抽真空。在真空度为0.03Pa开始对模具进行加热，温度控制在380℃，加热3个小时；加热结束后，在0.05Pa真空度，温度控制在400℃，工件转速1rpm，偏压-600V对基体进行金属离子刻蚀；金属离子刻蚀结束后，在气压0.5Pa，偏压保持在-80V，温度控制在400℃，转速1rpm，得到厚度为1微米的TiN或CrN过渡层；在氮气环境下，气压控制在0.5Pa，偏压控制在-50V，温度400℃，转速1rpm，在过渡层上沉积50纳米的TiN/CrN连接层A；然后在2.0Pa氮气压，-30V偏压，温度400℃，在连接层A沉积厚度为2微米的TiN/CrN/MoN主耐磨层；然后在2Pa氮气压，-50偏压，温度400℃，转速1rpm，在主耐磨层上沉积50纳米连接层B；然后在1Pa氮气压，-80V偏压，400℃，转速1rpm，在连接层B上沉积200纳米自润滑层MoN，涂层总厚度3.3微米，硬度35GPa，摩擦系数0.4。沉积结束后，自然冷却至室温后取出模具，即得到沉积有多层纳米复合涂层模具。
实施例2
本实施例中所提供的多层纳米复合涂层冲压模具的制备方法如下：
首先，将模具清洗干净，装夹在设备工件架上，并对设备抽真空。在真空度为0.02Pa开始对模具进行加热，温度控制在450℃，加热2个小时；加热结束后，在0.03Pa真空度，温度控制在450℃，工件转速2rpm，偏压-800V对基体进行金属离子刻蚀；金属离子刻蚀结束后，在气压1.5Pa，偏压保持在-100V，温度控制在450℃，转速2rpm，得到厚度为1.5微米的TiN或CrN过渡层；在氮气环境下，气压控制在1Pa，偏压控制在-80V，温度450℃，转速2rpm，在过渡层上沉积150纳米的TiN/CrN连接层A；然后在3.0Pa氮气压，-50V偏压，温度450℃，在连接层A上沉积厚度为3微米的TiN/CrN/MoN主耐磨层；然后在3Pa氮气压，-80偏压，温度450℃，转速3rpm，在主耐磨层上沉积100纳米连接层B；然后在2Pa氮气压，-100V偏压，450℃，转速2rpm，在连接层B上沉积300纳米自润滑层MoN，涂层总厚度5.05微米，硬度32GPa，摩擦系数0.5。沉积结束后，自然冷却至室温后取出模具，即得到沉积有多层纳米复合涂层模具。本实施例所制备的多层纳米复合涂层结构如图2所示，由下至上依次为过渡层、连接层A、主耐磨层、连接层B以及自润滑层。
实施例3
本实施例中所提供的多层纳米复合涂层冲压模具的制备方法如下：
首先，将模具清洗干净，装夹在设备工件架上，并对设备抽真空。在真空度为0.005Pa开始对模具进行加热，温度控制在500℃，加热1个小时；加热结束后，在0.007Pa真空度，温度控制在400℃，工件转速3rpm，偏压-1000V对基体进行金属离子刻蚀；金属离子刻蚀结束后，在气压2Pa，偏压保持在-150V，温度控制在500℃，转速3rpm，得到厚度为2微米的TiN或CrN过渡层；在氮气环境下，气压控制在2Pa，偏压控制在-100V，温度500℃，转速3rpm，在过渡层上沉积200纳米的TiN/CrN连接层A；然后在5.0Pa氮气压，-80V偏压，温度500℃，在连接层A沉积厚度为5微米的TiN/CrN/MoN主耐磨层；然后在5Pa氮气压，-100偏压，温度500℃，转速3rpm，在主耐磨层上沉积200纳米连接层B；然后在3Pa氮气压，-150V偏压，500℃，转速3rpm，在连接层B上沉积500纳米自润滑层MoN，涂层总厚度7.9微米，硬度33GPa，摩擦系数0.4。沉积结束后，自然冷却至室温后取出模具，即得到沉积有多层纳米复合涂层模具。
Claims (7)
1.一种多层纳米复合涂层冲压模具，至少包括模具基体，其特征在于：所述的模具基体上由内至外依次附着有过渡层、连接层A、主耐磨层、连接层B以及自润滑层，所述的过渡层为TiN或CrN，所述连接层A为TiN和CrN交替构成的纳米多层，所述主耐磨层为TiN、CrN和MoN交替构成的纳米多层，所述连接层B为CrN和MoN交替构成的纳米多层，所述自润滑层为MoN。
2.根据权利要求1所述的多层纳米复合涂层冲压模具，其特征在于：所述过度层的厚度为1～2微米；所述连接层A的厚度50～200纳米；所述主耐磨层的厚度为2～5微米；所述连接层B的厚度为50～200纳米；所述自润滑层的厚度为200～500纳米。
3.根据权利要求1或2所述的多层纳米复合涂层冲压模具，其特征在于：所述连接层A中，单层TiN厚度为15-25nm，单层CrN厚度为20-30nm；所述主耐磨层中单层TiN厚度为6-10nm，单层CrN为厚度8-12nm，单层MoN为厚度5-10nm。
4.根据权利要求1或2所述的多层纳米复合涂层冲压模具，其特征在于：所述的模具基体的材质为模具钢、高速钢或硬质合金。
5.一种制备权利要求1所述的多层纳米复合涂层冲压模具的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、将表面洁净的模具基体装夹在工件架上，在0.005～0.03Pa的真空环境，380～500℃温度下加热处理1～3小时；
(2)、加热完毕后，在0.007～0.05Pa真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-600～-1000V偏压条件下，对模具基体进行Ti或Cr离子刻蚀20～30分钟；
(3)、金属离子刻蚀结束后，在0.5～2Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-80～-150V偏压条件下，在模具基体上沉积TiN或CrN过渡层；
(4)、过渡层沉积结束后，0.5～2Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-50～-100V偏压条件下，在过渡层上沉积TiN/CrN连接层A；
(5)、连接层A沉积结束后，2～5Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-30～-80V偏压条件下，在连接层上A上沉积TiN/CrN/MoN主耐磨层；
(6)、主耐磨层沉积结束后，在2～5Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-50～-100V偏压条件下，在主耐磨层上沉积CrN/MoN连接层B；
(7)、连接层B沉积结束后，在1～3Pa氮气真空环境、400～500℃温度、1～3rpm转速、-80～-150V偏压条件下，在连接层B上沉积自润滑层MoN。
(8)、沉积结束后，真空环境下自然冷却，当温度降低到100℃以下时，打开真空腔体，取出多层纳米复合涂层冲压模具。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述过度层的厚度为1～2微米；所述连接层A的厚度50～200纳米；所述主耐磨层的厚度为2～5微米；所述连接层B的厚度为50～200纳米；所述自润滑层的厚度为200～500纳米。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述连接层A中，单层TiN厚度为15-25nm，单层CrN厚度为20-30nm；所述主耐磨层中单层TiN厚度为6-10nm，单层CrN为厚度8-12nm，单层MoN为厚度5-10nm。
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